專利名稱：用自動限流器限流的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電氣開關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)，特雖是高壓、中壓或低壓開關(guān)設(shè)備中限制故障電流的主要技術(shù)。本發(fā)明基于一種獨立權(quán)利要求的前敘部分所述的限流方法和裝置及一種具有該裝置的開關(guān)設(shè)備。
背景技術(shù)：
DE4012385A1公開了一種電流控制的斷路裝置，其工作原理基于具有液態(tài)金屬的收縮效應(yīng)。在兩個固態(tài)金屬電極之間設(shè)有單個的充填有液態(tài)金屬的窄的通道。在有過電流時，液態(tài)的導(dǎo)體由于電磁力通過收縮放應(yīng)被收縮，使電流本身收縮和分離液態(tài)的導(dǎo)體。被排擠的液態(tài)金屬被收集在一個貯備容器中并在出現(xiàn)過電流之后重新流回。觸點的分離是在沒有電弧的情況下進(jìn)行的。但是該裝置只適于較小的電流，小的電壓和長的斷開時間并且不提供持續(xù)的斷路狀態(tài)。
DE2652506公開了一種電氣的具有液態(tài)金屬的強電流開關(guān)。一方面，一種用于潤濕固態(tài)金屬電極和用于減少接觸阻抗的液態(tài)金屬混合物被使用。其中，液態(tài)金屬通過機械的排擠，譬如通過活動的觸點或氣動的浸液活塞逆向重力地被驅(qū)入接觸間隙中。通過按其一個導(dǎo)電的導(dǎo)體通過流過該導(dǎo)體的電流徑向緊縮的收縮效應(yīng)，液態(tài)金屬可附加地被穩(wěn)定和固定在接觸間隙中。外磁場和漏磁通量(譬如由電引起)可在液態(tài)金屬中造成流動的不穩(wěn)定性并被屏蔽，并且根據(jù)情況在關(guān)斷時被允許，以便支持在液態(tài)金屬中對電弧的熄滅。這樣做的缺點是，分層次的限流是不可能的并且固態(tài)電極之間的電弧在液態(tài)金屬中造成氧化。該強電流開關(guān)的結(jié)構(gòu)包括用于液態(tài)金屬，惰性氣體或真空的密封并且是相當(dāng)昂貴的。
DE19903939A1公開了一種具有液態(tài)金屬的自恢復(fù)的限流裝置。在兩個固態(tài)金屬電極之間設(shè)有一個耐壓的絕緣箱，在該絕緣箱中，液態(tài)金屬設(shè)在壓縮機室和位于其間的連接這些壓縮機室的連接通道中，使固態(tài)電極之間有了一個用于額定電流的電流路徑。在這些連接通道中的電流路徑比壓縮機室中的電流路徑狹窄。在有短路電流時，這些連接通道被強烈加熱并發(fā)出氣體。液態(tài)金屬通過連接通道中雪崩式的氣泡形成汽化到壓縮機室中，使一個限流的電弧在現(xiàn)被排空了液態(tài)金屬的連接通道中被點燃。在過電流衰減后，液態(tài)金屬可重新冷凝并且電流路徑重新準(zhǔn)備工作。
在WO00/77811中公開了一種自恢復(fù)的限流裝置的進(jìn)展形式。連接通道是向上錐形地擴寬的，使液態(tài)金屬的液面高度可被改變并且額定電流承受能力可大區(qū)域地被改變。此外，一個曲折形的電流路徑通過連接通道的錯位布局被形成，使一系列限流的電弧在液態(tài)金屬的過電流造成的汽化時被點燃。這種收縮效應(yīng)限流器需要在壓力和溫度方面有很穩(wěn)定的設(shè)計，這在設(shè)計上是很費事的。通過借助電弧限流，在限流器內(nèi)出現(xiàn)大的磨損，并且燃燒殘余可能污染液態(tài)金屬。通過液態(tài)金屬在短路過后馬上再冷凝，又建立一個導(dǎo)電的狀態(tài)，使斷路狀態(tài)不存在。
GB1206786公開了一種按照獨立權(quán)利要求的前敘部分所述的基于液態(tài)金屬的強電流電氣開關(guān)。液態(tài)金屬在一個第一位置中形成一個用于工作電流的電流路徑并且在開關(guān)電流時沿電阻元件被導(dǎo)向并被置入一個第二位置，液態(tài)金屬在該第二位置中與電阻元件串聯(lián)并把電流減少到很小一部份上。該強電流開關(guān)是為了生成高強度的，兆安和亞毫秒?yún)^(qū)域中的電流脈沖和用于生成等離子設(shè)計的。
US4599671公開了一種如獨立權(quán)利要求的前敘部分所述的自動限流的電氣裝置。一個活動電極以一個可在軌道上移動的滑板的形式實現(xiàn)，該滑板可通過短路電流電磁地偏轉(zhuǎn)。在被偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)中，滑板接觸一個具有限流電阻抗的軌道區(qū)域。替代可移動的滑板，一個在一個通道中容易移動的液態(tài)金屬體也可用作活動電極。所述的限流器不具有斷路狀態(tài)，而是與一個斷路開關(guān)串聯(lián)，以便先限制電流然后完全關(guān)斷電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于改善和簡化限流和斷流的方法和裝置，及具有一個這樣的裝置的電氣開關(guān)設(shè)備。按照本發(fā)明，上述任務(wù)通過獨立權(quán)利要求的特征實現(xiàn)。
一方面，本發(fā)明在于一種用一個限流裝置限流的方法，該限流裝置包括固定的電極和至少一個活動電極，其中，在第一工作狀態(tài)，工作電流在固體電極之間通過限流裝置的第一電流路徑上被導(dǎo)向，并且該第一電流路徑至少部分地通過第一位置中的液態(tài)金屬，其中，該至少一個活動電極在第二工作狀態(tài)通過與待限制的電流的電磁交互作用沿移動方向被移動到至少一個第二位置中，在從第一位置向第二工作位置的過渡時，該活動電極沿一個電阻元件被導(dǎo)向，并在至少一個第二位置中與該電阻構(gòu)建串聯(lián)，從而形成一個通過限流裝置限流的第二電流路徑，該限流的第二電流路徑具有一個可預(yù)先給定的電阻抗，其中，該活動電極還在一個第三工作狀態(tài)與一個絕緣子串聯(lián)，從而形成一個用于通過裝置斷路的絕緣段。按照本發(fā)明，提供了一個特別簡單的，用于一個自動限流的開關(guān)或集成開關(guān)的限流器的布局。過電流本身觸發(fā)限流。譬如在一個磁場中作用到一個導(dǎo)電的導(dǎo)體上的勞倫茲力作為基礎(chǔ)的電磁交互作用，但是過電流對活動的導(dǎo)體段或?qū)顒与姌O的電容的、感應(yīng)的、靜電的或其它的電磁作用也是可以想象的。由于在限流的情況下，不是絕緣子，而是一個電的阻抗與該活動電極接觸，所以沒有電弧被點燃。因此，該限流方法也可在很高的電壓電平時被采用。此外，幾乎不出現(xiàn)由燒損或活動電極的腐蝕造成的磨損。限流是可逆地進(jìn)行的，因此便于保養(yǎng)和費用合理。
在第一實施例中，第三工作狀態(tài)由一個關(guān)斷指令觸發(fā)，通過該關(guān)斷指令，一個外磁場在裝置作為限流器和作為斷路器的操作之間切換。
在另一實施例中，活動電極在第三工作狀態(tài)沿相反移動方向移動到至少一個第三位置，并在該至少一個第三位置與絕緣子串聯(lián)。
在另一實施例中，該活動電極通過與待限制的過電流的電磁的交互作用沿電阻元件被導(dǎo)引至一個極值的第二位置，其中，該極值的第二位置處在一個在其處電阻元件過渡到一個絕緣子的區(qū)域中，使所述的或另一個用于斷流的絕緣段被形成。
在另一實施例中，為了達(dá)到柔和的關(guān)斷特性，選擇具有隨活動電極的沿移動方向非線性升高的電阻抗的電阻元件用于第二電流路徑，和/或該電阻元件是歐姆的，并且該電阻抗?jié)u進(jìn)地隨第二位置升高。從而實現(xiàn)柔和的用于累加限流的限流特性。
權(quán)利要求6所述的實施例的優(yōu)點是磁場直接作用到有電流流過的活動電極上，并且該電極通過勞倫茲力驅(qū)動。該勞倫茲力與磁場強度和電流的乘積成比例。該磁場可能是外部的，特別是恒定的或可轉(zhuǎn)換的，或內(nèi)部的，特別是由待限制的電流產(chǎn)生的。通過對勞倫茲力和一個適宜的復(fù)位力的均衡，結(jié)果得出的移動可與待限制的過電流和所需的電阻抗要求的電極偏轉(zhuǎn)相匹配。
權(quán)利要求7提供了用于優(yōu)化設(shè)計限流過程的動力學(xué)的設(shè)定準(zhǔn)則。
權(quán)利要求8和9提供了優(yōu)選的，具有一種液態(tài)金屬和/或一種作為活動電極的滑動觸點的固體導(dǎo)體的實施例。特別是通過液態(tài)金屬體交替地與一種電介質(zhì)串聯(lián)，也可有效地和可靠地使用高電壓和高電流。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于限流的，特別是用于實施上述方法的裝置，包括固定的電極和至少一個活動電極，其中，在第一工作狀態(tài)，在固定電極之間有一個用于通過限流裝置的工作電流的第一電流路徑，并且該第一電流路徑至少部分地通過第一工作位置中的移動的電極。其中，存在用于在有過電流時把活動電極沿一個移動方向自行移動到至少一個第二位置的電磁驅(qū)動裝置，存在具有可預(yù)先給定電阻抗的電阻元件，并且該活動電極在第二工作狀態(tài)至少部分地與該電阻元件串聯(lián)，并與該電阻元件一起形成第二電流路徑，在該第二電流路徑上，工作電流可限制到一個待限制的電流，其中，該活動電極在第三工作狀態(tài)中與一個絕緣子串聯(lián)，從而形成一個用于通過裝置斷路的絕緣段。
根據(jù)從屬的的權(quán)利要求以及以下的描述和附圖，得出來發(fā)明的其他實施形式、優(yōu)點和應(yīng)用。


圖1a、1b示出本發(fā)明的具有液態(tài)金屬的，在額定電流操作和在限流情況下的自操作限流裝置。
圖2、3示出本發(fā)明的具有機械的滑動觸點，在額定電流操作(點劃線)和在限流情況下的兩個自操作限流裝置。
圖4示出本發(fā)明的具有用于液態(tài)金屬的收集機構(gòu)、在額定電流操作的自操作限流開關(guān)。
圖5示出作為液態(tài)金屬體位置的函數(shù)的限流器阻抗變化曲線圖。
圖6示出具有用于液態(tài)金屬的外磁場驅(qū)動裝置的組合液金屬型限流器和液態(tài)金屬型斷路器。
在附圖中，相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。
具體實施例方式
圖1a、1b示出液態(tài)金屬型限流器1的一個實施例。限流器1包括固態(tài)金屬電極2a、2b和用于電流源20的中間電極2c及一個用于液態(tài)金屬3的容器4。容器4有電絕緣材料構(gòu)成的底6和蓋6，在底和蓋之間設(shè)有一個具有至少一個用于液態(tài)金屬3的通道3a的電阻抗裝置5。在液態(tài)金屬體上方可譬如設(shè)有一種保護(hù)氣體，一種絕緣液體(具有圖中未示出的備用體積)或真空。
按照本發(fā)明，液態(tài)金屬3或概括地說一個活動電極3通過與待限制的過電流電I2自動的電磁交互作用被驅(qū)動。在液態(tài)金屬3的情況下，該液態(tài)金屬保持液態(tài)的聚合狀態(tài)，并通過強制的移動任意地在不同的位置x1、x12或x2之間移動。其中沒有利用收縮效應(yīng)。由此可以達(dá)到低至1ms的快速限流反應(yīng)時間。除了額定電流路徑30和限流路徑31，還有一個絕緣段32。
第二工作狀態(tài)通過電流I2自動地被激活，即有電流通過的活動電極3通過電磁力Fmag被移動，該電磁力垂直于通過該活動電極的電流I2并垂直于一個磁場Bext，Bint，并且該電磁力具有一個平行于移動方向x的分力。其中，磁場Bext，Bint被選擇為一個外部磁場Bext和/或一個由通往限流裝置1的電流輸送裝置2a、2b；20生成的內(nèi)部磁場Bint。替代勞倫茲力，另一自動的、與過電流I2的電磁交互作用，譬如一個電容的、電感的、靜電的或其他的交互作用可用于限流。其中，自動意味著活動電極的移動是在沒有有源電源測量和有源調(diào)節(jié)技術(shù)的情況下被觸發(fā)和控制的。
在第一工作狀態(tài)(圖1a)，工作電流或額定電流I1在第一電流路徑或者說在額定電流路徑30上從輸入電極2a經(jīng)由液態(tài)金屬3和根據(jù)情況經(jīng)由中間電極2c流往輸出電極2b。此時，液態(tài)金屬3處在第一位置x1中，至少部分地潤濕固定的電極2a、2b、2c并導(dǎo)電地橋接通道3a。在第二工作狀態(tài)中(圖1b)，液態(tài)金屬3沿由通道3a的高度走向給定的移動方向移動到第二位置x2，在該第二位置與介電的電阻裝置5串聯(lián)并且該電阻裝置一起形成待限制的電流I2的第二電流路徑，或者說限流路徑31。為了特別緊湊的布局，額定電流路徑30和限流第二電流路徑31相互平行地設(shè)置，并且兩者垂直于通道3a的高度走向，在一個可變的由液態(tài)金屬3的第二位置x12，x2預(yù)先給定的高度處設(shè)置。
電阻裝置5最好包括一個介電矩陣5，該矩陣具有用于介電隔離多個用于液態(tài)金屬3的通道3a。其中，隔片5a具有一種其阻抗Rx沿移動方向x升高，并優(yōu)選地非線性升高的介電材料。隔片5a是電阻元件5的單個電阻5a，具有沿通道高度升高的并優(yōu)選地非線性升高的電阻抗Rx。在液態(tài)金屬3的第一位置x1的高度處，隔片5a應(yīng)具有用于導(dǎo)電連接通道3a的中間電極2c。通道3a優(yōu)選地基本上相互平行地設(shè)置。從而由充填有液態(tài)金屬3的通道區(qū)域3a和作為電阻元件5的以其長度累加的和非線性累加的單個電阻5a起作用的隔片5a的交替串聯(lián)形成限流的第二電流路徑31。
在圖2和圖3所示實施例中，活動電極3、3’包括具有至少一個滑動觸點2d的固體導(dǎo)體3’，并且在第一工作狀態(tài)中與固定的電極2a，2b電連接，在第二工作狀態(tài)中至少一側(cè)與電阻元件5電連接，在第三工作狀態(tài)中至少一側(cè)與絕緣子8電連接。固體導(dǎo)體3基本上由輕金屬和/或由輕結(jié)構(gòu)的譬如由涂敷有金屬的軟木制成，和/或用于減少摩擦的滑動觸點2a是用液態(tài)金屬潤濕的。圖2所示的實施例中，固體導(dǎo)體3在其一端可轉(zhuǎn)動地與輸入電極2a相連，并在另一端用滑動觸點可滑動地沿圓弧形的電阻元件5移動。圖3所示的實施例中，固體導(dǎo)體3，3’在兩端上具有滑動觸點2d，并在電阻元件5的壁式電阻5a之間像一個懸梁一樣在其整個長度上可通過電磁的交互作用逆著復(fù)位力Fr，特別是逆著重力升高?；瑒佑|點2d的行程位置l1，l12，l2，相當(dāng)于液態(tài)金屬體3的前述的第二位置x1，x12，x2。極值的第二位置l12可位于電阻元件5過渡到一個絕緣子8的區(qū)域內(nèi)，從而形成一個用于斷流的絕緣段32。
在從第一位置x1，l1向第二位置x12，x2，l12，l2，特別是向一個極值的第二位置x2，l2過渡時，液態(tài)金屬3或具有滑動觸點2d的固定導(dǎo)體3沿電阻元件5被導(dǎo)向。為了獲得柔和的限流或斷路特性，電阻元件5具有一個沿活動電極3，3’的移動方向x、l非線性升高的用于第二電流路徑31的電阻抗Rx，R1。電阻元件5應(yīng)具有一個歐姆分量，且最好是純歐姆的，該阻抗連續(xù)地隨第二位置x12，x2，l12，l2升高。為了無電弧地從固定電極2a，2b，2c向電阻元件5傳遞電流i(t)，與觸點材料有關(guān)的電弧點燃電壓不應(yīng)被超過，該電壓最小為10伏至20伏。
也可相繼設(shè)置兩個具有反相有效地觸發(fā)電極移動的裝置的限流器1，以便在每個電流半波中達(dá)到限流和可選地達(dá)到斷流。
圖4示出了限流器1的一個派生形式，其中，提供一個用于容納液態(tài)金屬3的和提供用于斷流的絕緣段32的收集容器3b。此外，如圖所示，也可有一個用于把液態(tài)金屬3充填到通道3a中并重新接通裝置1的液態(tài)金屬供給裝置3c。還有一個絕緣段32，附加于額定電流路徑30和限流路徑31。在該絕緣段32上，用于限流的隔片5a過渡到用于電流絕緣的隔片8a。絕緣隔片8a基本上由絕緣材料組成，優(yōu)選地設(shè)在收集容器3c的區(qū)域中，并與排空了被收集的液態(tài)金屬3的通道一起形成絕緣段32。在該情況下，液態(tài)金屬3可在額定電流路徑30、限流路徑31和絕緣段32之間移動，從而實現(xiàn)了一個基于液態(tài)金屬的限流的開關(guān)1。用于工作電流I1的第一電流路徑30，用于限流的第二電流路徑31和絕緣段32有利地基本上垂直于移動方向x，和/或基本上相互平行地設(shè)置。這樣可以獲得一個用于集成的、僅用液態(tài)金屬3工作的限流器-斷路器1的特別簡單的布局。
圖5示出限流的開關(guān)1的活動電極3，3’的作為第二位置x12，x2的電阻抗Rx、R1的規(guī)格設(shè)定。達(dá)一個極值的第二位置x2，l2的阻抗Rx，R1非線性升高地，有利地被選到一個最大值Rx(x2)，Rx(l2)上。對于一個給定的電壓電平，電阻抗Rx，R1也應(yīng)根據(jù)待限制的電流I2被設(shè)定到一個有限的值上或為了關(guān)斷工作電流I，被設(shè)定到一個介電的絕緣值上。
作為第二位置x12，l12的函數(shù)Rx(x12)，R1(l12)的電阻抗RxR1以及活動電極3沿移動方向x，l的行程-時間特性x12(t)l12(t)應(yīng)如此地被選擇，使得電阻抗RxR1和電流I2的乘積在活動電極3，3’的每個第二位置x12、x2、l12、l2中小于在活動電極3，3’和固定的電極2a，2b及根據(jù)情況中間電極2c之間的電弧點燃電壓Ub和/或使用于對付電網(wǎng)造成的短路電流I(t)的限流的足夠陡度被達(dá)到。
在所有的前述實施例中，電磁互動裝置2a，2b，20；11；Bint，Bext包括用于產(chǎn)生磁場Bint，Bext的磁場裝置2a，2b，20；11；磁場Bint，Bext把具有一個平行于移動方向x，1的分量的勞倫茲力Fmag作用到被電流I1，I2流過的活動電極3，3’上，使活動電極3，3’是可在用于工作電流I1第一電流路徑30、用于限流的第二電流路徑31、和用于斷流的絕緣段的32之間移動的。磁場裝置2a，2b，20；11可包括一個通往限流裝置1的電流供給裝置2a，2b，20，以便產(chǎn)生一個內(nèi)部的，與待限制的過電流I2有關(guān)的磁場Bint。此外，磁場裝置2a，2b，20；11可包括用于產(chǎn)生外部可調(diào)的和特別是可轉(zhuǎn)換的磁場Bext的裝置11。
以上參考圖5對液態(tài)金屬型限流器1的規(guī)格設(shè)定進(jìn)行了舉例性討論。為了對付短路，一個與電網(wǎng)參數(shù)和待分離的觸點2a，2b的擊穿特性有關(guān)的限流阻抗Rx是必要的。短路電流I(t)的陡度越大，則Rx須被選得越低。在最不利的情況下，可以假設(shè)最大的短路電流幅值和最大的短電流電感，適用的則為Rx(t)·I(t)＜Ub(t) (方程式1)Rx(t)·I(t)+L·di/dt(t)＝UN(t) (方程式2)其中，t＝時間變量，L＝在短路情況下的電網(wǎng)電感，UN＝工作電壓或電網(wǎng)電壓，d/dt等于一階時間導(dǎo)數(shù)，d2/dt等于二階時間導(dǎo)數(shù)。在方程式2中假設(shè)，電網(wǎng)中的阻抗Rnet2＜＜L，并且短路時電網(wǎng)電壓UN被維持。此外，用于具有質(zhì)量m、位置或偏轉(zhuǎn)x12(t)，摩擦系數(shù)和驅(qū)動力F的液態(tài)金屬3的移動方程式3則為m·d2x12/dt2+α·dx12/dt(t)＝F-Fr (方程式3)其中，F(xiàn)＝復(fù)位力，特別是Fr＝Fg+Fcap，其中，F(xiàn)g＝m·g等于萬有引力，其中m＝液態(tài)金屬3的質(zhì)量，和g＝重力加速度，F(xiàn)cap等于毛細(xì)力。
在圖5中譬如假設(shè)電磁的勞倫茲力F＝Fmag，該勞倫茲力通過待限制的電流I(t)的白交互作用被施加到液態(tài)金屬3上，則另外適用的是F＝K·i2(t) (方程式4)其中K＝與幾何形狀相關(guān)的比例常數(shù)。在外部磁場B中，F(xiàn)＝K’·i(t)，其中K’＝其它的比例常數(shù)。確切地說，K和K’與限流器的幾何形狀，特別是與電阻元件5的以及電流路徑30，31的和絕緣段32的幾何形狀和設(shè)置位置有關(guān)，并與磁場介質(zhì)2a，2b，20的設(shè)計位置有關(guān)。
在圖5中假設(shè)短路造成的電流陡度di/dt＝15千安/毫秒，UN＝1千伏，I1＝1千安，最大的短路電流I2＝50千安，以及K，M和α的似然的參數(shù)值。通過在邊界條件下對方程式2-4的解得出阻抗Rx(t)和液態(tài)金屬3的行程-時間特性x12(t)，并通過抵消與時間的關(guān)系最后得出作為第二位置x12的函數(shù)的阻抗x12，如圖5中的對數(shù)圖所示。從第一位置出發(fā)，即在液態(tài)金屬3脫離固定電極2a，2b，2c時，Rx先是超比例地隨第二位置x12升高，然后在一個其間存儲在電網(wǎng)電感L中的能量須被吸收的階段線性地升高，在一個其間電流i已被限制的并且更高的Rx變得可被容忍的區(qū)域中重新過渡到更陡的，即超比例的升高Rx(x12)中。
限流器1的總阻抗在第一工作狀態(tài)中在通過液態(tài)金屬段3的額定電流I操作時被確定，從而通過提供一個適宜的液態(tài)金屬橫截面積可被確定到可預(yù)先給定的值。限流器1的最大的阻抗Rx(x12)可通過電阻材料的選擇和通過其幾何形狀根據(jù)所希望的電壓電平和最大允許的過電流I2設(shè)定。
特別是一個隨路段x非線性升高的阻抗Rx可通過具有不同電阻率的材料實現(xiàn)。一個非線性升高的總阻抗Rx也可以通過在具有均勻電阻率的電阻元件中采用適當(dāng)幾何形狀的電阻路徑實現(xiàn)。阻抗Rx的非線性的級配也可通過兩個措施的結(jié)合，即通過在一個具有可變的電阻率的電阻元件中采用適當(dāng)幾何形狀的電流路徑被達(dá)到。
如果電磁驅(qū)動力Fmag超過復(fù)位力FR，則出現(xiàn)自其出發(fā)限流裝置1被激活的閾值電流ith。在圖1a，1b，4和6所示的實施例中，復(fù)位力Fr＝Fg+Fcap·Fth可從中被估算出，即Ith＝[(Fg+Fcap)/K]1/2(方程式6)在毛細(xì)力Fcap可忽略不計且磁場通過一個線圈幾何形狀產(chǎn)生的最簡單的情況下，則Ith＝[(A.g.d.ρ)/(μ.N)]1/2(方程式7)
其中，A＝液態(tài)金屬通道3a的橫面積，ρ＝液態(tài)金屬3的質(zhì)量密度，d＝電流輸送裝置2a，2b，20中產(chǎn)生磁場的線圈的長度，μ＝在線圈中或在液態(tài)金屬中的導(dǎo)磁率，并且N＝線圈的匝數(shù)。達(dá)全限流的，即圖1b(或還有圖2或圖3)所示的終點位置時的反應(yīng)時間tμ可通過把磁場裝置2a，2b，20，11和復(fù)位力Fg，fcap適當(dāng)設(shè)定到可預(yù)先給定的值上而獲得。圖1b示出了液態(tài)金屬3在限流情況下的位置，基于變得有效的限流，電磁力Fmag下隆到液態(tài)金屬3上，并且液態(tài)金屬3在重力作用下重新流回到電極2a，2b，2c之間的原始位置，重新接通時間td在假設(shè)毛細(xì)力Fcap和電磁力Fmag在有被限制了的電流i時是可忽略不計的情況下可被估算出td＝[(2，h)/g]1/2(方程式8)其中，h＝x2-x1＝液態(tài)金屬通道3a的高度，重新接通時間td可通過按不同的應(yīng)用場合的要求適當(dāng)設(shè)計限流器來適配。特別是影響通道高度和毛細(xì)的參量，如通道的橫面積，通道的幾何形狀和通道的表面性質(zhì)以及液態(tài)金屬了的類型可相應(yīng)地被選擇。
在對限流器1的熱工設(shè)計計算中須注意的是，由于短的反應(yīng)時間和短的重新接通時間，電阻元件不能有效地被冷卻。損耗的能量Eloss加熱限流器1。溫升ΔT近似為ΔT＝Eloss/(A.1.ρ’.c’) (方程式9)其中，A＝液態(tài)金屬通道3a的橫截面積，1＝限流器1或電阻元件5的總長度，ρ’＝限流器1的平均質(zhì)量密度，和c’＝限流器1的平均熱容量。在阻力限流的本案中，損耗能量Eloss遠(yuǎn)小于通過電弧的限流時的損耗能量，被分布了的，矩陣式的電阻元件5的一個主要的優(yōu)點還在于，損耗能量Eloss很均勻分布在限流器1的容積的上方，因而全部的熱物質(zhì)或熱容量可據(jù)此盡量被用于吸收損耗能量Eloss。
圖6示出了一個聯(lián)合的具有用于液態(tài)金屬3的電磁驅(qū)動裝置2a，2b，20；11；Bint；Bext的液態(tài)金屬型限流器1和液態(tài)金屬型斷路器1。磁場Bint可在內(nèi)部通過輸入或輸出的電流導(dǎo)體20和/或優(yōu)選地通過在其磁場方向方面可轉(zhuǎn)換的外部磁場Bext產(chǎn)生。當(dāng)液態(tài)金屬3沿正方向x移動時，電流I在限流路徑31上被導(dǎo)引，并如上所述被限制；替我地，液態(tài)金屬3在第三工作狀況可沿相反的移動方向-x移動到至少一個第三位置x3，x13中，其中，液態(tài)金屬3在該至少一個第三位置x13，x3中與一個絕緣子串聯(lián)，并且一個用于通過裝置1斷路的絕緣段32據(jù)此被形成。如圖所示，該絕緣段32可以是由多個絕緣隔片8a在斷路情況下與被向下移的液態(tài)金屬體3交替串聯(lián)形成。
圖3以虛線的形式示出了一個可移動地懸掛的固體導(dǎo)體3的負(fù)的偏轉(zhuǎn)1和位置113，13的相仿的情況。第三工作狀態(tài)特別是通過一個通過其外部的磁場Bext在作為限流器和作為斷路器的裝置1的操作之間轉(zhuǎn)換的斷路指令被觸發(fā)。作為液態(tài)金屬3，譬如水銀、錄、鎵銦、鍶是適宜的。
至少一個用于斷流器的絕緣段32有利地在第二電流路徑31的上方和/或在第一電流路徑30的下方設(shè)置。液態(tài)金屬3和其驅(qū)動機構(gòu)12的相對于待轉(zhuǎn)換的電流，特別是，相對于額定電流路徑30、限流路徑31和斷流路徑32的緊湊的布局據(jù)此被實現(xiàn)。如前所述，在圖6中所示的限流器1也可以是作為限流的開關(guān)1設(shè)計的。
裝置1的應(yīng)用涉及在供電電網(wǎng)中作為限流器，限流開關(guān)和/或斷路器1，作為自恢復(fù)的安全裝置或電機啟動器的應(yīng)用。本發(fā)明還包括一種電氣的開關(guān)設(shè)備，特別是一種其特征在于具有上述裝置1的高壓開關(guān)設(shè)備或中壓開關(guān)設(shè)備。
部件列表1液態(tài)金屬限流器2a、2b固態(tài)金屬電極，金屬盤，靜止電極2c中間電極2d阻抗隨路徑變化的機械滑動接觸20電流源，電流導(dǎo)體3液態(tài)金屬3a液態(tài)金屬通道3b液態(tài)金屬收集容器3c液態(tài)金屬供應(yīng)30操作電流的電流路徑，第一電流路徑31限制電流的電流路徑，第二電流路徑32電流中斷路徑，隔離段4液態(tài)金屬容器5限流電阻元件，液態(tài)金屬的電阻矩陣5a單個電阻6容器蓋，容器壁，絕緣子8電流中斷絕緣子8a單個絕緣子9柔性薄膜10液態(tài)金屬供應(yīng)閥11磁場控制器124反向壓力容器，收集氣體容積α摩擦系數(shù)Bext，Bint外部、內(nèi)部磁場Fmag磁力Fr復(fù)位力
i電流I1操作電流I2限制的過電流k比例常數(shù)l，l1，l2，l12，l3，l13滑動接觸位置L線路電感P1、P2、P3氣體壓力Q，Q’液態(tài)金屬體電流路徑的橫截面積Rx，R1限流器電阻t時間變量Ub電弧點燃電壓UN線路電壓，工作電壓V1、V2、V3氣體體積x、x1、x2、x12、x3、x13液態(tài)金屬體的位置。
權(quán)利要求
1.一種用限流裝置(1)限流的方法，該限流裝置包括固定的電極(2a，2b)和至少一個活動電極(3，3’)，其中，在位于固定的電極(2a，2b)之間的第一工作狀態(tài)，工作電流(I1)在一個通過限流裝置(1)的第一電流路徑(30)上被導(dǎo)向，并且該第一電流路徑(30)至少部分地通過一個第一位置(x1，l1)的活動電極(3，3’)，在第二工作狀態(tài)，至少一個活動電極(3，3’)自動地通過與待限制的過電流(I2)的電磁交互作用沿移動方向(x，l)被移動到至少一個第二位置(x12，x2，l12，l2)，該活動電極(3，3’)在從第一位置(x1，l1)向第二位置(x12，x2，l12，l2)過渡過程中，沿一個電阻元件(5)被導(dǎo)向，并且在至少一個第二位置(x12，x2，l12，l2)與該電阻元件(5)串聯(lián)，從而形成一個通過限流裝置(1)的限流的第二電流路徑(31)，該第二電流路徑(31)具有可預(yù)先給的電阻抗(Rx，R1)，其特征在于，在第三工作狀態(tài)中，活動電極(3，3’)與一個絕緣子(8)串聯(lián)，從而形成一個用于通過裝置(1)斷路的絕緣段(32)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該第三工作狀態(tài)通過一個關(guān)斷指令被觸發(fā)，通過該指令，一個外部的磁場在裝置(1)作為限流器和作為斷路器的操作之間切換。
3.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在該第三工作狀態(tài)中1)活動電極(3，3’)沿一個相反的移動方向(-x，-l)被移動到至少一個第三位置(x12，x2，l13，l3)，并且2)該活動電極(3，3’)在至少一個第三位置(x12，x2，l13，l3)中與所述的絕緣子(8)串聯(lián)。
4.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于1)該活動電極(3，3’)自動地通過與待限制的過電流(I2)的電磁交互作用沿所述的電阻元件(5)被導(dǎo)向一個極值的第二位置(x2，l2)；2)該極值的第二位置(x2，l2)位于一個在其中電阻元件(5)過渡到所述的絕緣子(8)的區(qū)域內(nèi)，從而形成用于斷流的絕緣段(32)。
5.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，1)為獲得柔和的關(guān)煬特性，選擇具有沿活動電極(3，3’)的移動方向(x，l)非線性升高的電阻抗(Rx，R1)的電阻元件(5)用于第二電流路徑(31)；2)所述的電阻元件(5)是歐姆，并且電阻抗(Rx，R1)沿第二位置(x12，x2，l12，l2)連續(xù)升高。
6.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于。1)所述第二工作狀態(tài)由過電流(I2)自動地激活，即當(dāng)前有電流通過的活動電極(3，3’)被垂直于通過活動電極(3，3’)的電流(I2)并垂直于一個具有平行于移動方向(x，l)的分量的磁場(Bext，Bint)的電磁力(Fmag)移動，2)所述的磁場(Bext，Bint)被選作一個外部的磁場(Bext)和/或被造作一個由通往限流裝置(1)的電流饋送裝置(2a，2b；20)產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(Bint)。
7.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，作為第二位置(x12，l12)的函數(shù)(Rx(x12)，R1(l12))的電阻抗(Rx，R1)以及活動電極(3，3’)沿移動方向(x，l)的行程/時間特性(x12(t))這樣選擇，使得1)在活動電極(3，3’)的每個第二位置(x12，x2，l12，l2)，電阻抗(Rx，R1)和電流(I2)的乘積小于活動電極(3，3’)和固定電極(2a，2b)和可選地中間電極(2c)之間的電弧點燃電壓(Ub)；和/或。2)實現(xiàn)足夠的限流陡度來對付電網(wǎng)造成的斷路電流(i(t))。
8.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于。1)活動電極(3，3’)包括一種液態(tài)金屬(3)，該液態(tài)金屬(3)位于所述限流裝置(1)的至少一個通道(3a)中，并可沿位于工作電流(I1)的第一電流路徑(30)、用于限流的第二電流路徑(31)和用于斷流的絕緣段(32)的垂直走向移動，并且2)特別是多個通道(3a)是通過壁式隔片(5a，8a)相互隔離，所述的隔片在第一電流路徑(30)的區(qū)域中具有用于傳遞工作電流(I1)的中間電極(2c)，在第二電流路徑(31)的區(qū)域中具有電阻元件(5)的單個電阻(5a)，并在絕緣段(32)的區(qū)域中過渡到用于電流絕緣隔片(8a)中。
9.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，1)所述的活動電極(3，3’)包括具有至少一個滑動觸點(2a)的固態(tài)導(dǎo)體(3’)，并且在第一工作狀態(tài)，固定的電極(2a，2b)在第二工作狀態(tài)中至少一側(cè)與電阻元件(5)電氣相連，并在第三工作狀態(tài)中至少一側(cè)與絕緣子(8)電氣相連，2)特別是其中固體導(dǎo)體(3)是基本上由輕金屬和/或以輕結(jié)構(gòu)的形式制作的，和/或用于減少摩擦的滑動觸點以液態(tài)金屬潤濕。
10.一種限流裝置(1)，特別是用于實施以上權(quán)利要求之一所述的方法，包括固定的電極(2a，2b)和至少一個活動電極(3，3’)，在第一工作狀態(tài)中，在固定的電極(2a，2b)之間存在一個用于通過工作電流(I1)的第一電流路徑(30)，并且該第一電流路徑(30)至少部分地通過處在第一位置(x1，l1)中的活動電極(3，3’)，其中，存在用于在有過電流(I2)時自動將活動電極(3，3’)沿移動方向(x，l)移動到至少一個第二位置(x12，x2，l12，l2)中的電磁驅(qū)動裝置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)，存在具有可預(yù)先給定的電阻抗(Rx)的電阻裝置(5)，并且活動電極(3，3’)在第二工作狀態(tài)中至少部分地與上述電阻裝置(5)串聯(lián)，并且與這些電阻裝置一起形成一個第二電流路徑(31)，在該第二電流路徑上，工作電流(I1)可限制到一個待限制的電流(I2)，其特征在于，活動電極(3，3，)在一個第三工作狀態(tài)中與一個絕緣子(8)串聯(lián)，從而存在一個用于通過裝置(1)斷路的絕緣段(32)。
11.按照權(quán)利要求10所述的裝置(1)其特征在于，所述電磁驅(qū)動裝置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)包括用于產(chǎn)生磁場(Bint，Bext)的磁場裝置(2a，2b，20；11)，該磁場(Bint，Bext)把一個具有平行于移動方向(x，l)的分量的勞倫茲力(Fmag)施加到電流(I1，I2)流過的活動電極(3，3’)上，使活動電極(3，3’)可在用于工作電流(I1)的第一電流路徑(30)、用于限流的第二電流路徑(31)和用于斷流的絕緣段(32)之間移動。
12.按照權(quán)利要求10至11之一所述的裝置(1)，其特征在于，1)所述的磁場裝置(2a，2b，20；11)包括一個通往限流裝置(1)的電流輸送裝置(2a，2b，20；)，以便產(chǎn)生一個與待限制的過電流(I2)有關(guān)的內(nèi)部磁場(Bint)，和/或2)磁場裝置(2a，2b，20；11)包括用于產(chǎn)生一個可調(diào)的外部磁場(Bext)的裝置(11)。
13.按照權(quán)利要求10至12之一所述的裝置(1)，其特征在于，1)磁場(Bext，Bint)是根據(jù)活動電極(3，3’)在第二電流路徑(31)中的待限制的過電流和為此需要的行程/時間特性(x(T))，l(t))設(shè)計的，和/或2)電阻裝置(5)為了無電弧的限流具有一個沿移動方向(x，l)直至一個極值的第二位置非線性介高的用于第二電流路徑(31)的電阻抗(Rx，R1)。
14.按照權(quán)利要求10至13之一所述的裝置(1)，其特征在于，1)所述的活動電極(3，3’)包括一種液態(tài)金屬(3)，該液態(tài)金屬(3)能過磁場裝置(2a，2b，20；11)在液態(tài)的聚合狀態(tài)中被移動，和/或2)所述的活動電極(3，3’)包括具有至少一個滑動觸點(2d)的固體導(dǎo)體(3’)其中，固體導(dǎo)體(3’)通過磁場裝置(2a，2b，20；11)逆向復(fù)位力(Fr)，特別是逆向重力地在單側(cè)或雙側(cè)提高。
15.按照權(quán)利要求10至14之一所述的裝置(1)，其特征在于1)用于工作電流(I1)的第一電流路徑(30)、用于限流的第二電流路徑(31)和用于斷流的絕緣段(32)是基本上垂直于移動方向(x，l)，和/或基本上相互平行地設(shè)置的；2)所述的至少一個用于斷流的絕緣段(32)設(shè)在第二電流路徑(31)的上方和/或第一電流路徑(30)的下方。
16.一種電氣開關(guān)設(shè)備，特別是高壓開關(guān)設(shè)備或中壓開關(guān)設(shè)備，其特征在于按權(quán)利要求10至15之一所述的裝置(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聯(lián)合的限流和斷路的方法和裝置以及一種具有一個這樣的裝置(1)的開關(guān)設(shè)備。在本發(fā)明的聯(lián)合的限流器－斷路器(1)中，一個活動電極(3，3’)一方面為了限流，通過一個與過電流有關(guān)的電磁力F
文檔編號H01H77/10GK1820340SQ200480019689
公開日2006年8月16日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者卡韋赫·尼亞耶什, 弗里德里?！た履嵯?申請人:Abb研究有限公司